Предмет электрометаллургии цветных металлов

Екатеринбург

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет - УПИ»

В.А.Лебедев

ТЕОРИЯ ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Рекомендовано учебно-методическим объединением по образованию в области металлургии в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению «Металлургия» и специальности «Металлургия цветных металлов»

Издание второе, дополненное

Екатеринбург

УДК 621.669.541.357

ББК 34.327.4(075.8)

Л 33

Рецензенты:

кафедра металлургии легких металлов и производства глинозема Красноярской государственной академии цветных металлов и золота;

д-р хим. наук В.Н.Некрасов (Институт высокотемпературной электрохимии УрОРАН)

Автор: В.А.Лебедев

Л33 ТЕОРИЯ ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ: Учебное пособие/В.А.Лебедев. Изд.2-е, доп. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2003.112 с.

ISВN-5-321-00087-5

Рассмотрены вопросы строения электролитов, термодинамики и кинетики электродных процессов, а также практика применения электролитических процессов в производстве цветных металлов при нанесении покрытий.

Необходимость издания пособия связана с отсутствием специальных учебников по новому курсу "Теория электрометаллургических процессов", читаемому металлургам-цветникам.

Новизной учебного пособия, его научной и практической ценностью являются обобщения и систематизация научного и практического материала, накопленного в области электрометаллургии цветных металлов. При написании пособия использованы оригинальные разработки автора по электрокапиллярным явлениям, условному стандартному потенциалу сплавов, фазовой поляризации, совместным электродным реакциям.

Материал изложен в соответствии с новой типовой учебной программой Министерства образования РФ.

Книга является учебным пособием для студентов, бакалавров, магистров и аспирантов, обучающихся по специальности 11.02 - Металлургия цветных металлов. Она может быть полезна научным и инженерно-техническим работникам, работающим в области электрометаллургии цветных и редких металлов.

Библиогр.: 10 назв. Табл. 18. Рис.41. УДК 621.669.541.357

ББК 34.327.4(075.8)

Л 33

ISВN 5-321-00087-5 © ГОУ ВПО «Уральский государственный

технический университет-УПИ», 2003, доп.

ВВЕДЕНИЕ

ПРЕДМЕТ ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИИ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ

Существо современной металлургии (черной и цветной) сводится в конечном итоге к реализации окислительно-восстановительного процесса, в результате которого происходит восстановление ионов металла из его природного либо искусственного соединения до металлического состояния. Схематически этот процесс можно представить одним общим уравнением, описывающим всё многообразие современных металлургических систем:

Me ⁿ⁺ + восст. = Me + окисл.

Так получаются практически все металлы, исключение составляет лишь небольшое число так называемых благородных металлов, которые встречаются в природе в металлическом (самородном) состоянии. Это золото, платина, частично серебро, медь, а также некоторые другие металлы.

Поскольку в рассматриваемой окислительно-восстановительной реакции восстановитель является источником свободных электронов, то уравнение может быть представлено в электронной форме:

Meⁿ⁺ + ne = Me.

Это значит, что для любого металлургического процесса нужна организация подвода к окисленной форме металла необходимого числа электронов, способных восстановить металл до элементарного состояния.

При использовании в качестве восстановителя (источника электронов) угля, природного газа, СО мы имеем дело с пирометаллургией.

Если в качестве восстановителя используются активные, электроотрицательные металлы (щелочные, щелочно-земельные, магний, алюминий и т.д.), то имеет место металлотермия.

Наконец, если в качестве поставщика электронов используется источник постоянного тока, мы встречаемся с электрометаллургией. В связи с этим можно дать такое определение. Наука, изучающая закономерности процессов получения металлов с помощью постоянного электрического тока, называется электрометаллургией. Ее теоретической основой является электрохимия - наука, изучающая процессы взаимного превращения электрической и химической энергии. По более общему определению А.Н.Фрумкина: "Электрохимия - часть химии, изучающая превращения веществ на границе раздела проводник электричества 1-го рода - проводник электричества 2-го рода, происходящие с участием свободных электронов". Это определение распространяется и на известные электрохимические системы механического, гравитационного и других типов.

ВАЖНЕЙШИЕ АСПЕКТЫ ПРИМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРОХИМИИ В ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИИ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ

1. Основным направлением является получение и рафинирование цветных металлов в водных растворах и в расплавленных солевых средах.

Электрический ток - самый чистый, самый сильный, самый удобный и самый дешевый восстановитель, поэтому он широко применяется в технологии практически всех цветных металлов.

Электролизом водных растворов получают и рафинируют практически все благородные и тяжелые цветные металлы.

Электролизом расплавленных солей можно получать и рафинировать любые металлы. Наиболее масштабное применение этот процесс получил в электрометаллургии легких (щелочные, щелочно-земельные металлы, магний, алюминий), тугоплавких (W,Mo,Ru,Rh,Re,Ti,Zr и т.д.), редких (РЗЭ) и радиоактивных (U,Th,Pu) металлов.

Электрорафинированием получают чистые и сверхчистые (несколько атомов примесей на миллион) металлы для современных областей техники:

электроника, сверхпроводники, полупроводники, ядерная энергетика.

Электрорафинирование позволяет осуществлять комплексную переработку сырья цветных металлов. Так значительная часть серебра и золота получается из шламов электрорафинирования меди, платиновых металлов - из шламов электрорафинирования никеля.

Электролиз позволяет получать металлы в нужном агрегатном состоянии: в виде порошка, слитков, дендридных осадков, сплошных покрытий, монокристаллов, фольги и т.д.

2. Другим важным аспектом применения электрохимии в металлургии цветных металлов является получение покрытий различного назначения: декоративных, коррозионно-стойких, магнитных, износостойких, электропроводных (печатные платы) и т.д. О масштабах этой области применения электрометаллургии цветных металлов говорит тот факт, что гальванические цехи сегодня имеются практически на всех механических, приборостроительных, радиоэлектронных и металлургических заводах.

3. Поскольку цветные металлы используются, как правило, в виде сплавов, важное значение приобретают электрохимические технологии их получения и регенерации. Примером здесь могут служить современные авиационные сплавы Al-Li, Al-Sc-Mg и т.д. Так, предел прочности на сжатие у чистого алюминия составляет лишь 20 кг/мм². У сплава же А1+0,3% Sc+8% Mg он достигает 470 кг/мм². Наиболее экономной технологией получения и переработки таких сплавов является электрохимическая.

4. Важнейшее значение в современной практике имеют химические источники тока, гальванические элементы, аккумуляторы и батареи для обеспечения автономного питания различных устройств электрическим током. Ежегодно в мире производится более 10 млрд батарей, более 600 млн аккумуляторов. Их суммарная мощность близка к мощности всех действующих в мире тепловых, гидро- и атомных электростанций. Активными элементами автономных источников тока, как правило, являются цветные металлы: Pb,Zn,Ni,Cu,Li и т.д.

КРАТКИЙ ИСТОРИЧЕСКИЙ ОБЗОР РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИИ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ

История развития электрометаллургии цветных металлов самым тесным и диалектичным образом переплетена с историей развития электроэнергетики. Именно цветные металлы (медь и цинк) стали рабочими элементами первого относительно мощного и надежного источника постоянного тока "вольтова столба", открытого в 1800 г. физиком А.Вольтой. Источник тока состоял из серии медных и цинковых кружков, попарно соприкасающихся друг с другом и разделенных суконными прокладками, смоченными кислотой:

|цинк|кислота|медь|цинк|кислота|медь|цинк|кислота|медь|

А.Вольта установил и своеобразный ряд напряжений металлов по знаку их заряда в столбе (левый из двух рядом стоящих металлов приобретает в вольтовом столбе отрицательный заряд).

С появлением вольтова столба началось развитие электрохимии. Уже в 1800 г. с его помощью Уильям Никольсон и Антони Карлайл разложили воду на водород и кислород, выделили из водных растворов свинец, серебро, медь, став основателями электрометаллургии тяжелых цветных и благородных металлов.

В 1803 г. Г.Дэви электролизом безводных щелочей впервые получил металлические калий и натрий, став основоположником электрометаллургии легких металлов. Ему же первому удалось получить электролизом магний (1808), алюминий (1810), литий (1817).

Профессор Российской военно-медицинской академии В.В.Петров опубликовал в 1803 г. обширное исследование, проведенное с огромным вольтовым столбом из 4200 медных и цинковых пластинок. Им описаны опыты по электролизу воды, растворов солей, а также явление впервые открытой электрической дуги, создан электродвигатель.

В 1833 г. выполнены классические исследования М.Фарадея, установившего основные законы электролиза. В 1835 г. Д.Ф.Даниэль и академик Б.С.Якоби создали более стабильный источник питания, получивший название элемента Якоби-Даниэля: Zn|ZnS0₄||CuS0₄|Cu. Б.С.Якоби принадлежит приоритет первого промышленного применения электрометаллургии. Им в 1838 г. созданы основы гальванопластики и открыта в Петербурге мастерская, где изготавливали этим методом барельефы для Исаакиевского собора, скульптуры, украшения кораблей.

В 1865 г. Грамм и Сименс изобрели динамомашину - новый мощный источник постоянного тока, давший значительный толчок развитию электрометаллургии цветных металлов и ее промышленному применению.

Первая промышленная установка электролитического рафинирования меди была построена в 1867 г. Элкингтоном в Англии. Следующая - в 1871 г. Вольвилем в Гамбурге. В России первая установка электрорафинирования меди была построена Н.А.Иосса в Змиеве (Алтай) в 1893 г.

На заводе "Красный Выборжец" в Петербурге в 1897 г. была сооружена крупная установка по получению электролизом медных труб без шва, а в 1902 г. был построен цех электролитического рафинирования меди производительностью 10000 т в год.

В 1883 г. Гретцель (Германия) осуществил промышленный электролиз карналлита в электролизерах на 300 А. В дальнейшем им предложена в качестве электролита смесь хлоридов магния, калия, натрия, что существенно улучшило показатели процесса и явилось основой современного промышленного метода получения магния.

В 1886 г. Поль Эру (Франция) и Чарльз Холл (США) независимо друг от друга предложили способ получения алюминия электролизом криолит-глиноземных расплавов. Этот способ и на сегодняшний день является основным в металлургии алюминия.

Бурное развитие электрометаллургии являлось стимулом и для разработки теоретических основ электрохимии.

В 1879 г. Гельмгольц предложил первую теорию двойного электрического слоя, получившую затем развитие в работах Штерна и А.Н.Фрумкина(1933).

В 1889 г. Г.В.Нернст создал теорию возникновения электродного потенциала.

Эрдей-Груз, Фольмер, а затем А.Н.Фрумкин разработали современную теорию разряда-ионизации.

Школа П.П.Федотьева в 1910-1915 гг. создала теоретические основы электрометаллургии алюминия и магния.

До 1917 года в России было пять небольших медеэлектролитных заводов, два завода электролитического получения меди из руд общей производительностью 40000 т/год, а также установка для рафинирования серебра и золота на Монетном дворе.

Многотоннажная электрометаллургия цветных металлов в нашей стране была создана вместе с реализацией плана ГОЭЛРО, вместе с введением в строй крупных электростанций. Это хорошо просматривается на примере ввода в строй заводов электрометаллургии легких металлов:

1930-1932 гг.-Волховский алюминиевый

1934 г. - Днепровский алюминиевый

1935 г. - Днепровский магниевый

1936 г. - Соликамский магниевый

1939 г. - Уральский алюминиевый

1942 г. - Новокузнецкий алюминиевый

1943 г. - Березниковский титано-магниевый комбинат

1945 г. - Богословский алюминиевый

1950 г. - Канакерский алюминиевый

1951 г. - Кандалашский алюминиевый

1954 г. - Надвоицкий алюминиевый

1955 г. - Сумгаитский алюминиевый

1959 г. - Волгоградский алюминиевый

1962 г. - Иркутский алюминиевый

1964 г. - Красноярский алюминиевый

1966 г. - Братский алюминиевый

1975 г. - Таджикский алюминиевый

1985 г. - Саянский алюминиевый.

Электрометаллургия цветных металлов сегодня - это наиболее энергоемкая отрасль народного хозяйства. Настоящий курс является теоретической базой экономного расходования электрической энергии, комплексного использования сырья, повышения качества продукции. С развитием научно-технического прогресса неуклонно растет производство цветных металлов, повышается роль электрометаллургических процессов, растет значение данного курса в фундаментальной подготовке инженеров-металлургов по цветным металлам.

Курс состоит из пяти взаимосвязанных разделов: термодинамика гальванического элемента, кинетика электродных процессов, теория электролиза, основы электрометаллургии цветных металлов в водных растворах, гальванические покрытия, химические источники электрического тока.